Реакция алюминия и нержавеющей стали: как предотвратить гальваническую коррозию

На солнечной электростанции записи по техническому обслуживанию рассказывают знакомую историю. Белые меловые отложения растекались вокруг болтов из нержавеющей стали на алюминиевых монтажных направляющих, а под головками каждого болта начались питтинги. На практике это реакция алюминия и нержавеющей стали, и это одна из наиболее частых причин преждевременного выхода из строя сборок из смешанных металлов. Реакция не означает, что два металла никогда нельзя использовать вместе. Это означает, что соединение должно быть спроектировано с четким пониманием гальванической коррозии, что и представлено в этой статье.

Какова на самом деле реакция алюминия и нержавеющей стали

Реакция алюминия и нержавеющей стали представляет собой форму гальванической коррозии, также называемой биметаллической коррозией. Когда два металла находятся в электрическом контакте и оба подвергаются воздействию электролита, будь то морские брызги, дождевая вода, конденсат или просто постоянная влажность, они образуют гальваническую пару. Алюминий, менее благородный металл, становится анодом и начинает выделять ионы металлов. Нержавеющая сталь, более благородный металл, становится катодом. Электроны перемещаются от анода к катоду через металлическое соединение, а электролит замыкает электрическую цепь. В результате алюминий корродирует гораздо быстрее, чем сам по себе.

Это не химическая атака нержавеющей стали на алюминий. Нержавеющая сталь просто действует как большой эффективный катод, ускоряющий естественную коррозию алюминия. Видимые признаки различимы: белые или серые продукты коррозии на алюминиевой поверхности, питтинг вокруг головки или шайбы крепежа и, в тяжелых случаях, постепенная потеря силы зажима по мере потери толщины алюминия.

Три условия, которые должны присутствовать

Гальваническая коррозия не является автоматической. Для этого необходимы три одновременных условия, и удаление любого из них останавливает реакцию.

• Электрический контакт. Два металла должны быть соединены проводящим путем. Болт из нержавеющей стали, ввернутый в алюминиевую направляющую, или алюминиевый кронштейн, зажатый гайкой из нержавеющей стали, обеспечивают именно этот путь.
• Электролит. Проводящая жидкость должна соединять две поверхности. Соленая вода является наиболее агрессивным электролитом, но дождевая вода, конденсат и даже влага, абсорбированная под покрытием, могут ускорить реакцию со значительной скоростью.
• Разница в электрохимическом потенциале. Металлы должны различаться по своей склонности к коррозии. В морской воде алюминий и нержавеющая сталь различаются примерно на полвольта, чего более чем достаточно, чтобы выдержать значительную коррозию.

Практические последствия просты: держите металлы сухими, держите их электрически разделенными или смиритесь с тем, что алюминий будет корродировать. Каждый эффективный метод профилактики воздействует на одно из этих трех состояний.

Почему алюминий всегда является жертвенным металлом

Каждый металл имеет свою позицию в гальваническом ряду, который ранжирует материалы по их потенциалу коррозии в данной среде. В морской воде нержавеющая сталь значительно превосходит алюминий. Это означает, что нержавеющая сталь является катодом, а алюминий — анодом, когда они соединяются в «мокрой» сборке.

Стоит знать один нюанс. Нержавеющая сталь благородна только тогда, когда ее пассивный оксидный слой не поврежден. Внутри щели с низким содержанием кислорода, например, зазора под головкой болта или между плотно зажатыми поверхностями, нержавеющая сталь может потерять свой пассивный слой и стать активным. Вот почему щелевая коррозия возникает на крепежных изделиях из нержавеющей стали даже без присутствия алюминия. Однако в паре алюминий-сталь, подверженной атмосферным воздействиям, практический результат одинаков: алюминий — это металл, который теряет материал.

Когда алюминий и нержавеющую сталь можно безопасно использовать вместе

Реакция алюминия и нержавеющей стали не является неизбежной. Бесчисленные узлы из смешанных металлов имеют длительный срок службы, поскольку никогда не соблюдались условия гальванической коррозии.

• В помещении, в сухих помещениях. В отапливаемом и вентилируемом салоне редко бывает достаточно электролита для поддержания гальванической коррозии, поэтому пара может оставаться неактивной в течение десятилетий.
• Герметичные стыки. Если интерфейс покрыт совместимым герметиком или отделен влагозащитным барьером, электролит не может достичь места соединения, и цепь остается разомкнутой.
• Выгодное соотношение площади. Когда алюминиевая деталь большая, а деталь из нержавеющей стали маленькая, гальванический ток распространяется по широкой алюминиевой поверхности, поэтому скорость местной коррозии может быть приемлемой в течение предполагаемого расчетного срока службы. Опасный случай — противоположный: небольшой алюминиевый компонент, прикрепленный к большой конструкции из нержавеющей стали, концентрирует всю коррозию на маленьком аноде и быстро выходит из строя.

При эксплуатации на открытом воздухе или на море консервативное предположение состоит в том, что в конечном итоге влага будет присутствовать. В солнечных стойках, архитектурной облицовке, лодочном оборудовании и промышленном оборудовании, подверженном воздействию погодных условий, предотвращение является скорее требованием конструкции, чем вариантом.

Как предотвратить гальваническую коррозию в сборках из смешанных металлов

Самый надежный способ остановить гальваническую коррозию — разорвать электрическую цепь между двумя металлами или не допускать попадания электролита в место соединения. Несколько мер хорошо работают в сочетании.

1. Изолируйте с помощью непроводящих барьеров. Нейлоновая или волоконная шайба под головкой крепежа из нержавеющей стали в сочетании с изолирующей втулкой на стержне болта предотвращает прямой контакт металла с металлом. Это единственный наиболее эффективный метод.
2. Загерметизируйте стык. Полисульфидный, полиуретановый или бутиловый герметик, нанесенный вокруг головки крепежа и вдоль кромки шва, исключает попадание влаги и физически разделяет поверхности.
3. Используйте покрытия с осторожностью. Порошковое покрытие или покраска алюминия перед сборкой добавляет барьер, но любая царапина или скол может стать локальным анодом. Покрытия никогда не должны быть единственной линией защиты.
4. Конструкция для дренажа. Расположите соединение так, чтобы вода стекала с крепежа, а не скапливалась вокруг него.

Плоская шайба из нержавеющей стали играет в этой системе двойную роль. Он распределяет зажимную нагрузку по более широкой площади, что важно для мягкого алюминия, и обеспечивает гладкую опорную поверхность для головки гайки или болта. Сам по себе он не останавливает гальваническую коррозию, если не отделен от алюминия изолирующим слоем. В сочетании с нейлоновой шайбой или валиком герметика плоская шайба из нержавеющей стали 304 обеспечивает длительный срок службы и стабильную эффективность зажима.

SS304 Плоская шайба для болтов M10, DIN125/GB97 Эта плоская шайба из нержавеющей стали 304 распределяет зажимные нагрузки на мягкий алюминий и обеспечивает гладкую опорную поверхность, хотя для гальванической изоляции по-прежнему требуется разделительный слой. Просмотреть продукт →

Выбор подходящей марки крепежа из нержавеющей стали

Если конструкция требует крепежа из нержавеющей стали, контактирующего с алюминием, можно выбрать два стандартных варианта: нержавеющую сталь 304 (А2) и 316 (А4). Обе являются аустенитными марками с гораздо лучшей коррозионной стойкостью, чем углеродистая сталь, и обе занимают одинаковые позиции в гальваническом ряду. Отбор не меняет гальваническое поведение пары. Ни одна марка не обеспечивает существенно лучшую защиту алюминия, чем другая, поэтому решение на самом деле зависит от того, насколько хорошо сам крепеж выживет в условиях эксплуатации.

Нержавеющая сталь 304 используется по умолчанию для большинства промышленных и архитектурных работ. Он устойчив к атмосферной коррозии, пресной воде и широкому спектру химикатов. Для внутренней солнечной батареи или фасада здания крепеж из нержавеющей стали марки 304 является проверенным и экономичным выбором. И 304, и 316 производятся в соответствии со стандартами DIN 933, GB5783 и ISO 4017, и наше руководство по Болты с шестигранной головкой из нержавеющей стали 304 и 316 более подробно сравнивает две оценки.

SS304 Болт с шестигранной головкой M10, стандарт DIN933 Проверенный и экономичный болт из нержавеющей стали 304 для использования на суше или в обычных условиях, обеспечивающий стойкость к атмосферной коррозии и надежную несущую способность соединений конструкций. Просмотреть продукт →

В нержавеющую сталь 316 добавлен молибден, который повышает устойчивость к хлоридам. При береговых установках, оборудовании лодок и в любой среде, подверженной воздействию дорожной соли, в качестве крепежных элементов следует использовать крепеж 316, поскольку крепежный элемент должен пережить сборку в самых сложных условиях. Как правило, ассортимент крепежа из нержавеющей стали для проектов со смешанными металлами следует выбирать с учетом воздействия хлоридов, а не исходя из предположения, что другая марка каким-то образом защитит алюминий.

Для береговой установки соединение шестигранной гайки 316 с болтом 316 является наиболее надежным вариантом, особенно для резьбовых соединений, которые будут проверяться со временем. Разница в стойкости к коррозии между 304 и 316 в морской атмосфере достаточно значительна, чтобы оправдать более высокую стоимость 316.

SS316 Шестигранная гайка M10, стандарт DIN934 Шестигранная гайка из нержавеющей стали 316 класса А4-80, разработанная для морской среды и сред с высоким содержанием хлоридов, обеспечивающая надежный зажим и длительную коррозионную стойкость в сочетании с болтами 316. Просмотреть продукт →

Практические рекомендации по сборке

Сборки из смешанных металлов терпят неудачу, если пропустить основы. Следующая последовательность действий доказала свою эффективность при монтаже солнечных батарей, оборудовании морских палуб, промышленных рамах и архитектурных алюминиевых конструкциях.

1. Перед сборкой очистите обе прилегающие поверхности. Жир, песок или токопроводящие загрязнения могут вызвать коррозию, даже если конструкция правильна.
2. Сначала установите изоляционный слой. Поместите нейлоновую шайбу или валик герметика под головку крепежа из нержавеющей стали и на опорную поверхность гайки.
3. Затяните с номинальным крутящим моментом. Чрезмерное затягивание разрушает изолирующий слой, деформирует алюминий и делает соединение уязвимым как для гальванической коррозии, так и для релаксации напряжений.
4. Осмотр после первого сезона воздействия. Ранняя коррозия проявляется в виде белого порошка или слабой точечной коррозии. Если это произойдет, то исправлением будет замена шайбы и нанесение герметика, а не структурный ремонт.

Ничто из этого не должно отпугивать инженеров и производителей от совместного использования алюминия и нержавеющей стали. Оба материала хорошо работают как система при соблюдении вышеизложенных правил. Алюминий корродирует только в том случае, если гальваническая цепь остается целостной, и эту цепь легко разорвать.